CN2038238U - 湿敏传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用磁敏感原理测量气体、固体、油类及乳化物(牛奶)中的含水量。主要由湿敏传感元件、放大器(或显示器)、交流电源组成。当介质的含水量降低时，磁敏传感片所受固化应力增加，使磁导率降低，当含水量增加时，应力减小，磁导率增加，输出电压发生相应变化，这样可以动态监测各类介质的含水量，以水为媒质的物质固化过程，水泥建筑物的稳定状态及破坏过程中内应力变化。

Description

本发明涉及用磁敏感原理测量气体、固体、油类以及乳化物（牛奶）液体中含水量的装置。可以动态监测以水为媒质的物质固化过程中内应力的变化、固态物质内部的毛细管效应的速度，动态监测水泥建筑物稳定状态及破坏过程中内应力的变化。

目前有干湿球温差式温度计、用陶瓷制成的电阻式湿敏元件以及电容式湿度传感器。

上述湿敏传感器都不能测出液态物质中如油类、乳化物（牛奶）、土壤中的含水量，也不能测出吸水性固体物质内部含水量变化及毛细管效应的速度、内应力与湿度的关系。

而且电阻式、电容式湿敏传感器工作电路与输出电路都存在着公共端，很难实现隔离，容易受到外界干扰影响。

本发明的任务旨在克服上述现有技术的不足，提供一种能测出土壤、液态物质中的含水量而且调整方便、稳定性好的湿敏传感器。

本发明的任务是通过以下措施来达到的：

利用磁性材料在固化过程中的应力效应，即当磁性基体表面被水泥、粘土等固化物包围封闭后，对磁性基体表面产生固化应力，经一定时间固化过程完成后，吸水性固化物的内应力与其含水量有密切的对应关系。由于周围环境的影响，当其含水量降低，固化物应力增加，迫使磁性基体材料的磁导率下降，反映到湿敏传感器的输出电压呈现有规律的下降，而该过程具有一定的可逆性。当外层吸水性固化物受介质环境影响，通过气体对流、固体接触、毛细管效应、含水液体复盖等条件作用，含水量重新增加时，吸水性固化物的内应力减小，从而使磁性基体所受应力减小，磁导率增加，反映到湿敏传感器的输出电压增加。当固化物吸水量达饱和值后，输出电压将稳定保持不变。而这种可逆性是具有选择性的，只有当湿敏传感元件中的固化物从周围介质吸收或释放水份时，其输出电压才会发生相应变化，当吸收或释放非水类物质汽油、酒精等，湿敏传感器的输出电压基本保持不变。由于湿敏传感元件中固化物的含水量与周围介质含水量密切相关，两者达到动态平衡后，从而可测量出介质的湿度及含水量。

图2为磁性材料基本磁化曲线受固化应力影响示意图，其中L1为无固化物包围时所测得的B－H曲线，L2为湿敏传感元件的外层固化物固化后在相对湿度一定（如60％）条件下测得的B－H曲线，L3为湿敏传感元件在饱和吸水条件下（相对湿度100％或浸入水溶液）测得的B－H曲线。当激磁电流I1保持不变，由H＝I1·N1／L，磁埸强度H保持不变，因为μ＝B／H，H不变，则μ与B成正比关系。

其中：B是磁感应强度，N1是初级绕组的圈数，L是磁敏传感片的平均磁路长度

作Hθ线，分别与曲线L1、L2、L3相交于d、e、f点，分别得到对应的B1、B2、B3，从而计算出各点的磁导率μ₁、μ₂、μ₃。

我们可以通过水泥固化应力的测定，从而确定磁导率μ与固化应力σ的变化曲线，从图3可知，在d点当σ＝0时，μ＝μ₁；固化后在e点，相对湿度η＝60％时，μ＝μ₂；在重新吸水达饱和值后在f点，μ＝μ₃。由于吸水性固化物的内应力与湿度有对应关系，从而可以得出图4磁导率 与吸水性固化物中的含水量 的关系，其中f点为吸水量饱和点，在g点η＝0，μ＝μ₄。

由电磁感应定律：e2＝4K1BSN2f×10^－8伏，其中K1为波纹系数，f为交流激磁电源的频率，N2为磁敏传感件的次级感应绕组圈数，S为磁回路截面积。

因B＝μH，H＝I1·N1／L

e2＝（4K1fN2S×10^－8）×（I1·N1／L）

e2＝Kμ

同时考虑测量过程中温度等因素T1予以修正，这样得到了完整的标定数据曲线，

μ＝F（σ、η、T1）

配合计算机进行处理，就可以实现对水泥等物质的固化过程应力的动态测量。在固化过程完成之后，利用μ－η曲线的可逆性得到湿敏传感器的输出电压与湿度的关系e2－η曲线及对不同介质敏感的选择性曲线，达到并实现对各类介质湿度和含水量的动态测量。

对附图的说明

图1－湿敏传感器示意图。

图2－磁性材料磁化曲线受固化应力影响示意图。

图3－磁导率μ与固化应力σ变化曲线。

图4－磁导率μ与湿度（含水量）η变化曲线。

图5－水泥固化过程及在土壤、空气中湿敏传感器输出电压随时间变化曲线。

图6－水泥、粘土固化过程及对物质的选择敏感曲线。

图7－不同配比的水泥固化过程和极限吸湿曲线。

图8－简易型湿敏传感器电路及特性曲线。

图9－控制***电路图。

图1是湿敏传感器示意图，磁敏传感件1由磁敏传感基片和在基片磁回路孔上绕有的初级激磁绕组N1和次级感应绕组N2组成。2为吸水性固化物如水泥、特配粘土等，3为干燥绕组N3，4为激磁电流输入端，使N1与交流激磁电源7相接，5为次级感应绕组输出端，使N2与测量放大器（或显示器）8相接，6为干燥绕组接线端，使N3与加热电源10相接。磁敏传感件1、吸水性固化物2、干燥绕组3、激磁电流输入端4、感应绕组输出端5、干燥绕组接线端6构成了湿敏传感元件。固化物2的固化应力σ与周围介质含水量、湿度η密切相关，并使磁敏传感件1的磁导率μ发生变化，当N1加以交流激磁电流I1时，在湿敏传感元件输出端e2将相应发生变化。

7为交流激磁电源，其频率f和输出电流I1根据湿敏传感元件磁路工作状态选择决定。8为测量放大器或显示器（如电压表），9为控制***，内部可配有计算机并存贮有关特性曲线，根据所测得e2值判读湿度η、应力σ、等；发出不同的指令，控制加热电源10的通断；加热电源10向干燥绕组3提供发热功率。

综上所述，湿敏传感元件，交流激磁电源7、测量放大器（或显示器）8、控制***9、加热电源10构成了湿敏传感器。

在测量时调整交流激磁电源7的频率f和输出电流I1，使磁敏传感件工作在B－H曲线斜率大的部位，这时湿敏传感元件的输出电压e2相对变化量大。

图5为水泥固化过程及在土壤、空气中湿敏传感器输出电压随时间变化曲线。图5.1中列出了磁敏传感片的尺寸，件1采用0.8mm厚铁镍合金制做，其中N1＝2，N2＝1，采用多股绝缘线绕制，其接线方式均按图1所示，干燥绕组N3采用φ0.2镍铬丝绕制，R＝12欧，加热电源10采用5瓦变压器、输出电压6伏。吸水性固化剂2采用水泥、成型后长方体尺寸为16×20×15mm，将绕有N1、N2的件1固化在中间位置。N1接7低频信号发生器，使f＝400Hz、I1＝0.1A，N2接8测量放大器，从而测得图5所示e2－t曲线，其中a0a4曲线表示水泥固化过程，a0表无水泥固化应力时起始点，E0＝340μV，当水泥灌注后，其输出电压e2沿a0a1a2下降，在a2点t＝8天、e2＝210μV、随后变化趋缓，a2a3段喷水后e2值有所回升，自然干燥后下降至a4点t0A＝12天，e2＝195μV，这时水泥固化过程基本完成。将湿敏元件放入有正常植物生长的花盆土壤之中得到a4b1b7曲线。其中a4b1b2段表过渡曲线，b2b3段表土壤含水量降低时，e2值下降，在b3点e2＝190μV。b5、b7点表示浇水后，湿敏元件在饱和吸水后电压回升极大点，在b7点e2＝310μV为最大值，经tAB＝13天后又将湿敏元件移入室外大气之中，曲线b7c1c2表示2天的过渡期，在c3、c5点表在早晨有雾条件下所测得湿敏传感电压最大值e2＝250μV，c4点表空气湿度为η＝50％条件下测得曲线极小值e2＝180μV，利用干湿球温差法或其他湿度表可标定湿敏传感器输出电压与大气湿度的关系e2－η₁曲线，同样也可以标定与土壤含水量的关系e2－η₂曲线，并利用上述曲线对土壤含水量和大气湿度实现动态测量，通过控制***中的计算机记录描绘出如图5所示的e2－t曲线并转换成η－t曲线。按图5.1所制作的湿敏元件构成的湿敏传感器在通风条件下15分钟能测量出大气湿度以及判断土壤深处的是否处于饱和吸水态。

图6为水泥、粘土固化过程及对物质的选择敏感曲线。件1选用与图5.1中参数相同的磁敏传感件、外层固化体尺寸改为12×15×14mm，省去干燥绕组N3和加热电源10，湿敏元件的外接电路按图1所示，调节7信号发生器使f＝400Hz，I1＝0.1A。当2分别采用水泥，粘土为固化剂从而得到Ga、Gc水泥和粘土固化过程（η＝60％条件）的e2－t曲线，而Sa为水泥饱和吸水的极限恢复曲线。图6.1中e2－t1和图6、2中e2－t2曲线束分别表示以水泥和粘土为固化剂在形成固化体后对四种不同液态物质的选择敏感曲线。由图6可知在Ga和Gc的起始点两种湿敏元件e2＝330μV，以水泥为固化剂2－a经10天后，湿敏元件e2＝210μV（η＝60％条件），当其饱和吸取纯水后，如图6.1所示t1＝5分后稳定值为e2＝285μV，吸取牛奶后输出电压值e2＝255μV，该稳定值主要随牛奶中的含水量变化，当牛奶中的含水量较高时，e2稳定值较高，将吸取牛奶后湿敏元件重新放入纯水中后经7分钟后也可达285μV值。当吸取汽油后e2＝210μV不变，吸取无水酒精后，e2值略有下降，当再吸水后、汽油与酒精溢出，湿敏元件e2值增加可接近285μV。以粘土为固化剂2－c的湿敏元件，经1天后e2从330降至250μV，将这种湿敏元件分别吸取纯水，牛奶、汽油、酒精后可得到图6.2中所示的e2－t2四条曲线。其中吸水后20秒e2值从250μV立即回复至330μV，这时失去固化强度。吸取牛奶后20秒回复至295μV，吸取汽油后e2＝250μV，吸取酒精后e2值略有下降。由上述曲线可知：牛奶、汽油、酒精等液态物中含水量不同，湿敏传感器显示出的电压稳定值不同，只要预先标定其e2－η（含水量）曲线，即可对被监测的液态物质中的含水量进行动态测量。同时可以看出粘土层的吸水毛细管效应速度比水泥层快。

图7为不同配比的水泥固化曲线和极限吸湿曲线。件1中磁敏传感片尺寸如图7.1所示，材料为0.8mm铁镍合金板，N1＝2，N2＝1，采用导线截面0.07mm²多股绝缘塑料线绕制。外接线方式如图1所示相同，调整7使f＝400Hz，I1＝0.15A，外层固化物成形尺寸为30×30×20mm，其中料2－a为纯水泥，料2－b加有30％的河砂。将磁特性相同的两个磁敏传感件1－a和1－b用料2－a和2－b固化成图7.1所示的长方体尺寸，在图7所示的e2－t曲线，其中时间坐标采用对数坐标，监测时间300天，其中湿敏元件无固化应力时起始值e2＝690μV，而曲线Ga和Gb表示在60％条件下料2－a和2－b制成的两种湿敏元件A和B的输出电压随时间变化的e2－t曲线，而Sa和Sb表示料2－a和2－b制做的两种湿敏元件A和B在饱和吸湿条件下的输出电压极限恢复e2－t曲线。特别指出若在tx至ty时间内对湿敏元件A和B如图7.1所示方向加以外加压应力P，（不超过极限允许值）各曲线Ga、Gb、Sa、Sb都会出现图7中所示的不同下降，当压应力P消失后各曲线上的e2值将恢复原值，如不能恢复原值，则表明外层固化物已受损坏。利用上述特性可对重要的混凝土基础的外加动负荷变化进行动态监测，只要预先将湿敏元件放入并灌注在水泥基础预制件中，标定e2－σ曲线在N1中加以激磁电流I1，通过N2输出电压e2的变化可动态监测建筑物基础内应力（强度）及外加动负荷变化，结构是否损坏。另外可以对不同标号配比成份的水泥及其制件的固化过程的内应力（强度）进行无损动态测量，而现有静态试验方法是分别在3天、7天、28天对所制做的100或150mm的立方块进行破坏性强度试验，才能得出结论，而本发明试验样块小，可以进行无损动态测量，而试验样块随后即可做湿敏元件使用，还可永久保存。

图8为简易型湿敏传感器电路及特性曲线。

图8.1为磁敏传感片尺寸，件1材料采用1.0mm厚铁镍合金板、冲制后绕线窗口尺寸为7×10mm，N1、N2采用φ0.2高强漆色线绕制、N1＝40匝，N2＝160匝。吸水固化剂2采用水泥，固化成形后如图8.1所示长方体    30×19×15mm，件1被固定在中间位置，在正常条件养护10天后，按图8所示电路连接，可对介质的湿度（含水量）进行动态测量，其中B为电源变压器，将交流220VAC电压转换成次级V＝6V    f＝50Hz的交流电压，K为电源开关，BX为保险丝，W为150欧5W线绕电位器，次级回路中接有交流毫安表，通过激磁绕组输入端4与湿敏元件中件的N1相接，调节W1的电阻值使I1＝0.2A，8为毫伏表或数字式万用表，将1、2、4、5构成的湿敏元件放在不同湿度的空气（或介质）中，采用湿度表进行对比，即得到图8.2所示的湿敏传感器输出电压e2随介质湿度η变化的关系曲线，将上述湿敏传感器配接控制***9后，即可对库房、土壤、恶劣条件（腐蚀性介质）的湿度进行监测，当超出规定要求后可报警或通过控制***自动采取措施进行调节。

图9为控制***电路图，采用了一个电压比较器，由F007运算放大器和BG13A×62及附属电路构成，可以与来自湿敏传感元件（器）输出电压信号进行比较。当反映介质湿度（含水量）、固化应力的输出电压达到预定值时，执行电路中的继电器J1吸合，绿色指示灯XD2发亮，蜂鸣器FM发声，主回路中继电器J2动作，通过其触点转换，控制某些供水设施和空调设备、调节介质湿度（含水量）不超过所规定值。

电路工作原理：采用220V、50Hz工业电源，K1为主回路控制开关，当K1闭合，变压器B1初级N1接通，次级N2输出9V交流电压，红色指示灯XD1亮，表电源接通。次级N3和N4为交流15V电压，经QSZ全桥整流及F8331集成块稳压后，分别在A、B两处输出正负12V直流电压作为电压比较器及驱动极的工作电源，BX1和BX2为0.25A保险丝，C1、C2为电解滤波电容，C3、C4为高频滤波电容。

由图8所示的湿敏传感器的输出电压（反映介质湿度、含水量）在8～24mV之间，经偶合电容C5进入比较电路，预先调整电位器W1，使波段开关在适当位置，以获得适当的分压比，确定F007的阀止电压，按下式：

U1＝U0／R0＋RN        U0＝12伏

R0由电位器W1确定，RN由R1、R2、R3和R4中选定，当来自湿敏传感件（器）的信号（反映被测介质湿度、含水量）与预定的阀止电压值U1相等时，F007输出负阶跃。

图中DW1、DW2为稳压管，2CW6～7.5V，D1、D2为2CP12其中D2为保护二极管，防止J1产生的过电压损坏BG1，其中J1采用JRX－30F灵敏型6V继电器，J2可采用大功率继电器，其触点控制土壤喷水设备电机或空调器电源。

Claims (3)

1、一种湿敏传感器，由湿敏传感元件、交流电源、放大器、控制器等部件所组成，其特征是：利用磁性材料的磁导率当介质含水量降低所受固化应力增加而出现有规律的下降，反应到湿敏传感元件的输出电压也随之有规律下降这一种特性，这一特性具有可逆性，使用受应力变化敏感的磁性材料制成的磁敏传感件1，周围装填有吸水性固化物2，并放在干燥绕组3的中间，并配以相应接线端，构成湿敏传感元件，磁敏传感件有闭合磁回路，其上有二条电回路与其相耦合，初级回路中有初级激磁绕组N₁，N₁经激磁电流输入端4与交流激磁电源7相接，次级回路中有次级感应绕组N₂，N₂两端所得到的次级感应电压e2经输出端5与测量放大器(或显示器)8相连接，N₁、N₂具有良好的外绝缘，

湿敏传感元件和交流激磁电源7、测量放大器(或显示器)8、控制***9、加热电源10构成湿敏传感器。

2、根据权利要求1所述的湿敏传感器，其特征是：吸水性固化物2是用水泥或粘土制成。

3、根据权利要求1所述的湿敏传感器，其特征是：磁敏传感件1是具有一个或一个以上闭合磁回路的磁性件。

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